CN103367894B - 用于飞行体表面定向辐射的全息天线的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于飞行体表面定向辐射的全息天线，以解决飞行体因尾翼、侧翼遮挡而出现辐射盲区的问题。该全息天线，包括馈源天线(1)，全息结构(2)，该全息结构包括介质基板(21)和金属族带(22)，馈源天线(1)设置在介质基板(21)的最左侧端点上，金属族带(22)涂覆在介质基板(21)的表面上，介质基板内填充有Duriod6010介质，金属族带(22)由若干个方形金属贴片(221)拼接而成，以有效控制其散射特性；馈源天线采用角锥喇叭天线，设置在金属族带(22)的焦点处，其口径中心与全息结构最左侧端点重合。本发明稳定性好，构建灵活，能在飞行体辐射盲区实现任意方向的辐射，可用于飞行体无线通信系统，提高其通信性能。

Description

用于飞行体表面定向辐射的全息天线的制作方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种全息天线，可用于在飞行体的辐射盲区实现任意方向的定向辐射，提高飞行体的通信质量和通信精度。

背景技术

无线通信对天线的要求越来越高，为了提高通信质量，减小环境对电磁信号的干扰，要求天线具有高增益、低副瓣和高定向性。为适应实战环境的需要，天线要求隐蔽性好、抗干扰能力强且具有较低轮廓。传统的反射面天线和相控阵天线增益较高，但前者尺寸过大，较难隐蔽；后者损耗较高，成本较大，较难适应实战要求。全息天线能很好地满足上述要求，除稳定性好、抗干扰能力强外，更重要的是解决了在复杂形状物体，如飞机、车辆等表面集成低轮廓天线，并得到特定的辐射特性。通常情况下，由于实体的遮挡，实体上的天线在某些区域是难以辐射能量的，而全息天线可以解决这一问题，实现该区域任意方向的定向辐射，从而使天线具有这一特殊性质，目前主要研究的是平面全息天线。平面全息天线由馈源天线和全息结构两部分组成，馈源天线作为新型天线——全息天线的激励，全息结构作为散射器，对馈源的场进行有效地散射。全息结构一般采用连续的金属条带构成或者离散的偶极子阵列构成。现有的平面全息天线主要有以下两种：

1.不含接地板的平面全息天线

不含接地板的平面全息天线，无论全息结构采用连续的金属条带还是离散的偶极子阵列，均不能实现偏离全息结构表面法向任意方向的定向辐射，主要是垂直于全息结构表面的辐射。例如2004年，P.Sooriyadevan在M.A.Sc Thesis上发表的“The Electromagnetic Modeling and Optimization of Planar Holographic Antennas”中，采用H面扇形喇叭天线作为馈源天线，连续的散射器金属条带作为全息结构，整个全息天线不含有接地板，最终通过理论分析及仿真计算，实现了垂直于全息结构表面的辐射，在与全息结构表面成±90°的方向上实现了边射类型。但是，这种边射类型，一般均存在全息结构表面上、下两个主瓣，无法满足仅有一个主瓣的高定向辐射。

2.含接地板的平面全息天线

这一类全息天线能实现定向辐射，但是，对零阶干扰的消除措施未提及。例如，2007年，M.Nannetti,F.Caminita and S.Maci在IEEE Int.AP上发表的“Leaky-wave based interpretation of the radition from holographic surfaces”中，运用漏波的原理，馈源天线在接地介质平板上激励的表面波，经过全息结构周期性地调制，产生空间辐射的漏波。该天线中的馈源天线采用垂直放置的偶极子探针，全息结构采用连续的金属条带，介质基板接有接地板，这种天线虽说在介质基板上实现了偏离全息结构表面法向的任意方向的定向辐射。但却未消除零阶干扰对出射波场的影响，导致出射波场会出现波瓣分裂，造成飞行体天线的定向性和精确性下降，甚至出现副瓣，降低飞行体天线的辐射效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术上的限制，提出一种用于飞行体表面定向辐射的全息天线，并消除零阶干扰对出射波场的影响，提高天线的定向性能和辐射效率。

本发明的技术方案是这样实现的：

1.技术原理

根据全息学原理，两束波干涉能产生全息图样，即当采用其中一束波照射全息图样时，可产生另一束波。这里两束波分别对应馈源天线的场和需要实现的目标辐射场，全息图样对应全息结构，当馈源天线的场照射全息结构时，即可产生目标辐射场。馈源天线与全息结构组成的天线即为全息天线。

馈源天线是整个全息天线的激励源，馈源天线必须在E面能够均匀照射整个全息结构的表面，并在H面内实现窄波束。角锥喇叭或者扇形喇叭，能很好地满足这两个条件，具有平滑的方向图，全息结构可以获得更好照射，由于角锥喇叭的远区辐射场为准球面波，球面波与目标辐射场的干涉场易于记录，故选用角锥喇叭作为馈源天线。

全息结构是整个全息天线的散射器部分，全息结构必须能很好地模拟馈源天线与目标辐射场的干涉场，以便有效地散射馈源天线的场，进而产生目标辐射场。在光学频段，直接利用感光材料记录两束光的干涉图样即可，当采用其中一束光照射干涉图样时，就能获得另一束光。在微波频段，没有这种与光学感光材料对应的介质能够记录两束波的干涉场，对干涉场的记录只能逐点离散地进行，所以采用全息结构来模拟二者的干涉场，对馈源天线的波场进行散射，该出射波场即为目标辐射场。

根据理想导体表面切向电场为零的边界条件，全息结构可利用在干涉场极小值点放置金属条带来构建。理论计算和HFSS软件验证结果，角锥喇叭天线的波场与目标辐射波场的干涉场极小值点的集合为同焦点的椭圆族，故全息结构为金属条带构建的同焦点的椭圆族。在此基础上，为了能够连续可变地控制馈源天线的散射特性，本发明采用全息人工阻抗表面这种新型电磁材料来实现上述的全息结构。人工阻抗表面这种电磁材料是由大量图覆在介质板上的方形金属贴片构成的，其散射特性可由表面阻抗来表示，此贴片结构可以很大程度改变介质板的散射特性，能实现其它方法难以产生的辐射特性。根据馈源天线与目标辐射场的干涉场值，由表面阻抗等于全息结构表面上的平均电场与平均磁场之比，抽取样点，获得人工阻抗表面上各点的表面阻抗值与对应的方形金属贴片间的间距值，利用最小二乘法拟合确定表面阻抗与方形金属贴片之间的间距的关系，设计边长为0.01*λ的方形金属贴片，用来拼接全息结构中的金属条带。

在飞行体表面不易加接地板，故整个天线不含接地板。选择好馈源天线，构建好全息结构之后，即可将全息天线安装于飞行体表面。全息结构可直接涂覆在辐射盲区机身表面即可，既满足了飞行体天线设计中的天线共形的要求，又不需要复杂的馈电网络。馈源天线选择灵活且易于安装集成，实现了飞行体天线在通常情况下，由于飞机尾翼、侧翼的遮挡而难以实现的天线辐射覆盖。安装馈源天线时，只需根据计算结果，在适当的位置安装馈源天线，选在同焦点椭圆族的焦点处。

飞行体天线在通信过程中，由于飞机尾翼、侧翼的遮挡，天线在某些方向、在飞机某些部位难以实现辐射覆盖，而影响整个飞行体天线的通信质量。本发明提出了一种平面全息天线，不含有接地板，能够在偏离全息结构法向的任意方向实现定向辐射，根据理论分析，选择合适的介质及介质尺寸，并且仅在辐射盲区集成即可，使得在原飞行体天线与全息天线的结合应用下，飞行体被天线全面辐射覆盖，解决了传统飞行体天线遇到的辐射盲区问题，且满足小型化、易集成、高定向性等要求。

2.技术方案

根据上述原理，本发明的全息天线包括：馈源天线1，全息结构2，该全息结构包括介质基板21和金属族带22，馈源天线1设置在介质基板21的最左侧端点上，金属族带22涂覆在介质基板21的表面上，介质基板内夹有填充介质，其特征在于：

所述的馈源天线1，采用角锥喇叭天线；

所述的介质基板21，是一个张角为90°的菱形介质基板；

所述的金属族带22，是由n个轴向间距为0.66*λ，轴向宽度为0.66*λ的弧形金属条带构成，每个金属条带由若干个方形金属贴片221拼接而成，其中，λ为自由空间波长，n＞15；

所述的填充介质，采用Duroid6010材料。

上述的全息天线，其特征在于，角锥喇叭天线由矩形波导和喇叭面构成，喇叭面包括四个喇叭侧面和一个喇叭终端面；该矩形波导的长边长度a为1.0cm＜a＜1.4cm，短边长度b为0.5cm＜b＜0.7cm，波导长度R₁为1.6cm＜R₁＜1.8cm；该喇叭终端面的长边长度c为4.2cm＜c＜4.4cm，短边长度d为1.6cm＜d＜1.8cm；该矩形波导的终端面与喇叭面的距离R₂为3.2cm＜R₂＜3.6cm；角锥喇叭的口径中心与介质基板21的最左侧端点重合。

上述的全息天线，其特征在于，介质基板21的长度L₁为9.2cm＜L₁＜9.4cm，宽度L₂为9.2cm＜L₂＜9.4cm，厚度为0.635mm。

上述的全息天线，其特征在于，构成金属族带22的弧形金属条带中，第i个弧形金属条带的轴向内径为0.66*λ*(2*i-1)，轴向外径为0.66*λ*2*i，其中，1≤i≤n，n为弧形金属条带的个数，n＞15。

上述的全息天线，其特征在于，每个方形金属贴片221的边长为0.01*λ，其中，λ为自由空间波长。

上述的全息天线，其特征在于，每个金属条带拼接的各个方形金属贴片221之间的距离g，按照Z＝j(107+65.5g-12.7g²+0.94g³)的拟合函数关系确定，其中，Z为表面阻抗，j为虚数单位，j²＝-1。

上述的全息天线，其特征在于，每个方形金属贴片221，采用铜材料，以表面焊接的形式，涂覆在介质基板21的表面。

3.根据上述原理，本发明制作用于飞行体表面定向辐射的全息天线方法，包括如下步骤：

（1）选取长度为L，宽度为D，厚度为0.635mm的矩形介质基板，L＞50*λ,D＞40*λ，采用Duroid6010材料对该矩形基板进行填充，获得矩形介质板，其中， “*”为乘号；

（2）在矩形介质板表面，绘制n个具有相同负半轴焦点的椭圆条带，构成椭圆族带，获得表面覆有椭圆族带的矩形介质板；该椭圆族带中，第i个椭圆条带的正向轴向内径为(2*i-1)*λ，外径为2*i*λ；负向轴向内径为0.66*λ*(2*i-1)，外径为0.66*λ*2*i；其中，λ为自由空间波长，n＞15，1≤i≤n；

（3）在表面覆有椭圆族带的矩形介质板上，以椭圆族带的负半轴焦点为最右侧端点，裁剪出张角为90°，长度L₁为9.2cm＜L₁＜9.4cm，宽度L₂为9.2cm＜L₂＜9.4cm的菱形介质板；

（4）在菱形介质板的表面上，按照绘制的弧形条带，采用方形金属贴片（221）对其进行拼接，获得弧形金属条带；

所述的拼接，是以焊接的方式按照不同的间距g，将各个方形金属贴片（221）涂覆在菱形介质板表面的弧形条带处，该距离g根据Z的拟合函数关系：Z＝j(107+65.5g-12.7g²+0.94g³)确定，其中，Z为表面阻抗，j为虚数单位，j²＝-1；

（5）在菱形介质板的左端安装馈源天线，即将馈源天线的喇叭终端面口径中心与菱形介质板的最左侧端点重合，完成整个全息天线的制作。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）本发明由于从表面覆有椭圆族带的矩形介质板上，裁剪出菱形介质板，对其表面的弧形条带采用方形金属贴片221进行拼接，不仅实现了偏离全息结构表面法向的任意方向的定向辐射，使辐射波瓣的Ｅ面增益最高可达20dB，该辐射主瓣的电平比第一副瓣电平高14.1dB，有效抑制了副瓣的辐射强度，实现了高定向辐射，而且得到的全息结构轮廓较低，仅为现有全息结构表面轮廓的35%，在飞行体表面易共形集成，避免了因高空气流而造成的全息天线的性能畸变；

（2）本发明由于采用了厚度为0.635mm，填充介质为Duroid6010的菱形介质板，有效减小了全息天线的的直接辐射——零阶干扰，使直接辐射的波瓣电平比主瓣电平低18dB，对主瓣的影响近似可忽略；

（3）本发明的全息结构是在现有技术研究的矩形全息结构的基础上，裁剪出的菱形结构，其面积仅为矩形全息结构的35%，天线的轮廓得到有效降低，比现有技术 的全息天线的制作成本低；

（4）HFSS软件仿真结果显示，本发明具有良好的交叉极化特性，其交叉极化电平为49dB，电场的交叉极化分量得到大幅抑制，有效提高了角锥喇叭的场转化为目标辐射场的效率，即球面波转化为平面波的效率。

附图说明

图1为本发明全息天线的整体结构示意图；

图2为本发明中的馈源天线结构放大图；

图3为制作本发明全息天线的工艺流程图；

图4为本发明全息天线的应用场景示意图；

图5为本发明全息天线的E面方向图；

图6为本发明全息天线的交叉极化结果图。

具体实现方式

以下结合附图，对本发明的技术方案及技术效果作详细描述：

参照图1，本发明的全息天线包括：馈源天线1，全息结构2，该全息结构包括介质基板21和金属族带22，馈源天线1设置在介质基板21的最左侧端点上，金属族带22涂覆在介质基板21的表面上，介质基板内夹有填充介质，椭圆族带22由方形金属贴片221组成。

所述的介质基板21，是一个张角为90°，长度L₁为9.2cm＜L₁＜9.4cm，宽度L₂为9.2cm＜L₂＜9.4cm，厚度为0.635mm的菱形介质基板；该介质基板21采用的填充材料为Duroid6010，其相对介电常数是10.2。通过HFSS软件验证可知，该Duroid6010材料可有效减小馈源天线的直接辐射—零阶干扰，该直接辐射的波瓣电平比主瓣的电平低18dB，直接辐射的波瓣能量，达到了工程上可忽略的程度；

所述的金属族带22，是由n个轴向间距为0.66*λ，轴向宽度为0.66*λ的弧形金属条带构成，每个金属条带由若干个方形金属贴片221拼接而成；构成该金属族带22的弧形金属条带中，第i个弧形金属条带的轴向内径为0.66*λ*(2*i-1)，轴向外径为0.66*λ*2*i，其中，λ为自由空间波长，n为弧形金属条带的个数，n＞15，1≤i≤n，例如，i＝2时，该弧形金属条带的轴向内径为0.66*λ，轴向外径为1.32*λ。

所述的拼接弧形金属条带的每个方形金属贴片221的边长为0.01*λ，材料采用 铜，以表面焊接的形式，涂覆在介质基板21的表面；每个金属条带拼接的各个方形金属贴片221之间的距离g，按照Z＝j(107+65.5g-12.7g²+0.94g³)的拟合函数关系确定，其中，Z为表面阻抗，j为虚数单位，j²＝-1。例如，频率为20GHz时，对于i＝2的弧形条带，在轴上的方形金属贴片221与其周围四个方形金属贴片221之间的间距为0.027*λ。

参照图2，本发明的馈源天线1，采用角锥喇叭天线，该角锥喇叭天线的E面方向图平滑，能够在E面均匀照射整个全息结构的表面，在H面内呈现窄波束，能很好地满足馈源天线的选择标准：Ｅ面内能够均匀照射全息结构表面，H面内呈现窄波束。该角锥喇叭天线由矩形波导和喇叭面构成，喇叭面包括四个喇叭侧面和一个喇叭终端面；该矩形波导的长边长度a为1.0cm＜a＜1.4cm，短边长度b为0.5cm＜b＜0.7cm，波导长度R₁为1.6cm＜R₁＜1.8cm；该喇叭终端面的长边长度c为4.2cm＜c＜4.4cm，短边长度d为1.6cm＜d＜1.8cm；该矩形波导的终端面与喇叭面的距离R₂为3.2cm＜R₂＜3.6cm；角锥喇叭的口径中心与介质基板21的最左侧端点重合，本实例取a＝1.2cm，b＝0.6cm，R₁＝1.7cm；c＝4.3cm，d＝1.7cm，R₂＝3.4cm。

参照图3，制作本发明全息天线的工艺流程包括以下几个步骤：

步骤1，选取介质基板21，并进行填充：

选取长度为L，宽度为D，厚度为0.635mm的矩形介质基板，L＞50*λ,D＞40*λ，采用Duroid6010材料对该矩形基板进行填充，获得矩形介质板，其中，“*”为乘号，例如，本实例取L＝51*λ，D＝42*λ。

步骤2，绘制同负半轴焦点的椭圆条带：

在矩形介质板表面，绘制n个具有相同负半轴焦点的椭圆条带，构成椭圆族带，获得表面覆有椭圆族带的矩形介质板；该椭圆族带中，第i个椭圆条带的正向轴向内径为(2*i-1)*λ，外径为2*i*λ；负向轴向内径为0.66*λ*(2*i-1，)外径为0.66*λ*2*i；其中，λ为自由空间波长，n＞15，1≤i≤n，例如，i＝2时，该椭圆条带的负向轴向内径为0.66*λ，轴向外径为1.32*λ，正向轴向内径为λ，轴向外径为2*λ。

步骤3，裁剪获得菱形介质板：

在表面覆有椭圆族带的矩形介质板上，以椭圆族带的负半轴焦点为最右侧端点，裁剪出张角为90°，长度L₁为9.2cm＜L₁＜9.4cm，宽度L₂为9.2cm＜L₂＜9.4cm的菱形介质板，该菱形介质板表面上含有绘制的椭圆族带的一部分——弧形条带，该弧形条带是椭圆族带负半轴焦点左侧，随菱形介质板一起被裁剪下来的椭圆族带的一部分，例如，本实例取L₁＝9.3cm，L₂＝9.3cm。

步骤4，采用方形金属贴片221拼接弧形条带：

在菱形介质板的表面上，按照绘制的弧形条带，采用方形金属贴片221对其进行拼接，获得弧形金属条带，所述的拼接，是以焊接的方式按照不同的间距g，将各个方形金属贴片221涂覆在菱形介质板表面的弧形条带处，该距离g根据Z的拟合函数关系：Z＝j(107+65.5g-12.7g²+0.94g³)确定，其中，Z为表面阻抗，j为虚数单位，j²＝-1。例如，频率为20GHz时，对于i＝2的弧形条带，在轴上的方形金属贴片221与其周围四个方形金属贴片221之间的间距为0.027*λ。

步骤5，安装馈源天线1：

在菱形介质板的左端安装馈源天线，即将馈源天线的喇叭终端面口径中心与菱形介质板的最左侧端点重合，完成整个全息天线的制作。

参照图4，本发明全息天线可应用在飞行体通信方面，飞行体在通信过程中，由于尾翼、侧翼的遮挡，导致飞行体天线在某些部位、某些方向难以实现辐射覆盖而出现辐射盲区，根据该盲区通信需要实现的目标辐射特性，在该盲区集成本发明的全息天线，能够实现任意目标方向的定向辐射，消除了辐射盲区，使飞行体达到全面辐射覆盖。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

仿真1，是在弧形条带的个数n=15时，对本发明的E面方向图进行仿真，结果如图5，从图5可见，本发明的全息天线的增益可达16.8dB，主瓣电平比第一副瓣高12.3dB，其主瓣偏离全息结构表面法向30°，馈源天线的直接辐射波瓣的电平比主瓣电平低14.9dB，零阶干扰得到了有效抑制。

仿真2，是在弧形条带的个数n=15时，对本发明的交叉极化进行仿真，结果如图6，从图6可见，本发明的全息天线的的交叉极化电平为49dB，电场的交叉极化分量得到大幅抑制。

以上描述仅是本发明的具体实例，不构成对本发明的任何限制。例如，上述馈源天线采用角锥喇叭天线，其矩形波导的长边长度a可取1.3cm、1.15cm，短边长度b可取0.55cm、0.75cm，波导长度R₁可取1.65cm、1.75cm，该矩形波导的终端面与喇叭面的距离R₂可取3.3cm、3.5cm；喇叭终端面的长边长度c可取4.35cm、4.25cm，短边长度d可取1.75cm、1.65cm；上述菱形介质板长度L1可取9.35cm、9.25cm，宽度L2取9.35cm、9.25cm等。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，例如，在本发明所给的所述参数1.0cm＜a＜1.4cm，0.5cm＜b＜0.7cm，1.6cm＜R₁＜1.8cm，4.2cm＜c＜4.4cm，1.6cm＜d＜1.8cm，3.2cm＜R₂＜3.6cm，9.2cm＜L₁＜9.4cm，9.2cm＜L₂＜9.4cm的取值范围内可取不同的数值，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种用于飞行体表面定向辐射的全息天线的制作方法，包括如下步骤：

(1)选取长度为L，宽度为D，厚度为0.635mm的矩形介质基板，L>50*λ,D>40*λ，采用Duroid6010材料对该矩形基板进行填充，获得矩形介质板，其中，“*”为乘号，λ为自由空间波长；

(2)在矩形介质板表面，绘制n个具有相同负半轴焦点的椭圆条带，构成椭圆族带，获得表面覆有椭圆族带的矩形介质板；该椭圆族带中，第i个椭圆条带的正向轴向内径为(2*i-1)*λ，外径为2*i*λ；负向轴向内径为0.66*λ*(2*i-1)，外径为0.66*λ*2*i；其中，n>15，1≤i≤n；

(3)在表面覆有椭圆族带的矩形介质板上，以椭圆族带的负半轴焦点为最右侧端点，裁剪出张角为90°，长度L₁为9.2cm<L₁<9.4cm，宽度L₂为9.2cm<L₂<9.4cm的菱形介质板；

(4)在菱形介质板的表面上，按照绘制的椭圆条带，采用方形金属贴片(221)对其进行拼接，获得弧形金属条带；

所述的拼接，是以焊接的方式按照不同的间距g，将各个方形金属贴片(221)涂覆在菱形介质板表面的弧形条带处，该距离g根照拟合函数关系确定：

Z＝j(107+65.5/g-12.7/g²+0.94/g³)，其中，Z为表面阻抗，j为虚数单位，j²＝-1；

(5)在菱形介质板的左端安装馈源天线，即将馈源天线的喇叭面口径中心与菱形介质板的最左侧端点重合，完成整个全息天线的制作。